第3章第1节打开电磁学的大门.ppt

第1节磁场中的通电导线 课标定位 学习目标 1 通过实验 认识到通电导线在磁场中受到的作用力称为安培力 2 知道影响安培力大小和方向的因素 知道左手定则和安培力大小的计算公式 能用左手定则判断安培力的方向 能计算在匀强磁场中 当通电导线与磁场方向垂直时安培力的大小 3 了解线圈在磁场中的运动情况 以及磁电式仪表的工作原理 4 知道电动机的工作原理 了解电动机的发明和利用在能源利用方式和工业发展中所起的作用 重点难点 1 影响安培力的因素及安培力大小的计算 2 正确应用左手定则判断安培力的方向 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第1节 课前自主学案 课前自主学案 一 会动的导线1 安培力定义 通电导线在磁场中受到的作用力称为 2 安培力方向 可以用左手定则来判定 伸开左手 四指与拇指在同一平面内并相互垂直 让磁感线垂直穿过手心 指向电流的方向 则 所指的方向就是安培力的方向 3 安培力的大小 安培力 四指 拇指 1 实验表明 如图3 1 1所示 通电导线所受的安培力大小与磁感应强度 电流大小以及磁场中垂直磁场方向导线的长度有关 图3 1 1 2 进一步实验研究表明 在匀强磁场中 当通电导线与磁场垂直时 安培力的大小等于电流 磁感应强度和导线长度的乘积 3 公式表达 F BIl 思考感悟 4 两根通电导线之间的相互作用力 两同向电流间的安培力是 力 两反向电流间的安培力是 力 二 会动的线圈1 通电线圈在磁场中会转动 线圈与磁场平行放置 当线圈通有电流时 与磁场垂直的两个边会受到 作用 根据左手定则判断知 两个力方向相反 对线圈产生了转动 的作用 使线圈绕中心轴转动 2 如图3 1 2所示 磁电式电流计就是根据这一原理制成的 第一个磁电式电流计是 制作的 由此实现了电流的定量测量 吸引 排斥 安培力 力矩 安培 图3 1 2 三 揭开电动机旋转的奥秘线圈要不间断地转下去 在转过与磁场方向垂直的位置后 就要改变线圈中的电流 能够改变电流方向的装置就是 与电源相连接的金属片是电刷 如图3 1 3所示 方向 换向器 图3 1 3 电动机转动的部分 如线圈 叫 固定不动的部分 如永久磁铁和电动机的外壳 叫 转子 定子 核心要点突破 一 安培力方向的判断安培力的方向既跟磁感应强度的方向垂直 又跟电流方向垂直 三个方向之间的关系可以用左手定则来判定 伸开左手 使拇指跟其余四指垂直 并且都跟手掌在同一个平面内 让磁感线穿入手心 并使四指指向电流的方向 那么 拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向 1 由左手定则可判定F I F B 但B与I不一定垂直 即安培力的方向总是垂直于磁场方向和电流方向所决定的平面 在判断时 首先确定磁场与电流所决定的平面 从而判断出安培力的方向 2 若已知B I方向 安培力的方向唯一确定 但若已知B 或I与安培力的方向 I 或B 的方向不唯一 3 注意区别安培力的方向和电场力的方向与场的方向的关系 安培力的方向总是与磁场的方向垂直 而电场力的方向与电场的方向平行 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 图3 1 4中磁感应强度B 电流I和安培力F之间的方向关系错误的是 图3 1 4 解析 选D 由左手定则可以判定A B C三项中电流方向 磁感应强度方向和所受安培力方向间的关系正确 D项中所受安培力应向左 故D错误 二 安培力大小的计算1 影响安培力大小的因素安培力的决定因素有两个 一个是放入磁场中的一段导体的Il的乘积 另一个是磁场本身 即磁场的磁感应强度B 因而安培力的改变 1 通过改变磁感应强度B的大小来改变 2 通过改变通电导线的长短l来改变 3 通过改变通电导线电流I的大小来改变 4 通过改变通电导线在磁场中的放置位置来改变 2 应用F BIl计算安培力时的注意事项 1 公式F BIl适用于匀强磁场 且导线与磁场方向垂直的情况 若通电导线所在区域的B的大小和方向不相同 应将导体分成若干段 使每段导线所处范围B的大小和方向近似相同 求出各段导线所受的磁场力 然后再求合力 安培力表达式中 若载流导体是弯曲导线 且导线所在平面与磁感应强度方向垂直 则l指弯曲导线中始端指向末端的直线长度 如图3 1 5所示 图3 1 5 对任意形状的闭合平面线圈 当线圈平面与磁场方向垂直时 线圈的有效长度l 0 故通电后在匀强磁场中所受安培力的矢量和一定为零 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 2011年济南学业水平测试模拟 在一根长为0 2m的直导线中通入2A的电流 将导线放在磁感应强度为0 5T的匀强磁场中 则导线受到的安培力的大小不可能是 A 0 4NB 0 2NC 0 1ND 0 解析 选A 当导线与磁场方向垂直时 有效长度l最大 安培力最大 Fmax BIl 0 5 2 0 2N 0 2N 当导线与磁场方向平行时 有效长度l 0此时安培力最小 Fmin 0 所以安培力大小的范围是0 F 0 2N 故B C D均正确 选A 三 电动机工作原理分析1 均匀辐向分布的磁场 蹄形磁铁的两极分别装上极靴 两极靴之间是圆柱状的软铁芯 磁化后总是异名磁极相对 如图3 1 6所示 在铁芯和极靴之间有一个很小的空间 磁场的分布是均匀辐向 好像是每一条磁感线都过圆柱的圆心 由于线圈套在圆柱上 恰好处在辐向分布的磁场空间 不管线圈转到哪个位置 线圈平面都是与磁感线平行 线圈所处的磁感应强度大小不变 就好像是处在匀强磁场中 图3 1 6 2 安培力的力矩 当电流通过线圈的时候 线圈上的跟铁芯轴线平行的两个边都受到安培力 这两个安培力的力矩使线圈发生转动 线圈的转动使螺旋弹簧扭转 产生一个阻碍线圈转动的力矩 其大小随线圈转动的角度的增大而增大 当这两个力矩平衡时 线圈停止转动 稳定在一个位置上 电流越大 安培力的力矩越大 转动的角度就会越大 3 表盘刻度均匀 根据胡克定律 螺旋弹簧的扭转力矩正比于形变量 这里的形变量就是扭转的角度 安培力的力矩正比于电流I 扭转力矩等于安培力的力矩 因此有I 电流跟线圈转动的角度是线性关系 所以刻度均匀 即时应用 即时突破 小试牛刀 3 关于磁电式电流表内的磁铁和铁芯之间的均匀辐向分布的磁场 下列说法中正确的是 A 该磁场的磁感应强度大小处处相等 方向不同B 该磁场的磁感应强度的方向处处相同 大小不等C 使线圈平面始终与磁感线垂直D 线圈所处位置的磁感应强度大小都相等 解析 选D 两磁极之间装有极靴 极靴中间又有一个铁质圆柱 极靴与铁质圆柱之间有一不大的缝隙 根据磁感线与磁极表面垂直的特点 磁化了的铁质圆柱与极靴间的缝隙处就形成了辐向分布的磁感线 这样做的目的就是让通电线圈所在处能有一个等大的磁场 并且磁感线始终与线圈平面平行 线圈受最大的磁场力 故选项D正确 课堂互动讲练 如图3 1 7甲所示 两根靠近的平行直导线通以方向相同的电流时 它们相互间的作用力的方向如何 若两根细导线互相垂直且紧贴在一起 但彼此绝缘放置在同一平面内如图乙 把AB固定 则通电后CD将怎样运动 图3 1 7 精讲精析 要分析导线AB的受力方向 先由安培定则判断出导线CD产生的磁场方向如图3 1 8甲所示 再由左手定则判断AB受到的安培力方向指向CD 用同样的方法画出AB产生的磁场方向 再判定CD受到的安培力的方向指向AB 因而两导线通以同向电流时 互相吸引 在题图乙中 由于导线CD处在不同方向的磁场中 应分段分析 先由安培定则确定导线AB产生的磁场方向 再由左手定则判定CD左半段和右半段受到的安培力方向 如图3 1 8乙所示 所以CD将沿逆时针方向转动 即两导线不平行时 将转到两导线相互平行 且电流方向相同时为止 图3 1 8 答案 见精讲精析 方法总结 在判断安培力方向时 必须首先判定磁场方向和电流方向所确定的平面 从而判断出安培力的方向在哪一条直线上 然后再根据左手定则判断出安培力的具体方向 安培力的方向总是垂直于导线 磁感线所确定的平面 在赤道上 地磁场可以看做沿南北方向并且与地面平行的匀强磁场 磁感应强度是5 10 5T 如果赤道上有一条沿东西方向的直导线 长20m 载有从东向西的电流30A 地磁场对这根导线的作用力有多大 方向如何 精讲精析 磁场沿南北方向 导线沿东西方向 即B l 所以F BIl 30 20 5 10 5N 3 10 2N 由左手定则可判定导线所受安培力的方向竖直向下 答案 3 10 2N竖直向下 方法总结 应用公式F BIl进行计算时要明确三点 1 若B I l两两垂直时 F BIl 2 若B与I l 夹角为 时 F BIlsin 3 以上两种情况中l一定是 有效长度 如图3 1 9所示 相距20cm的两根光滑平行铜导轨 导轨平面倾角为 37 上面放着质量为80g的金属杆ab 整个装置放在B 0 2T的匀强磁场中 1 若磁场方向竖直向下 要使金属杆静止在导轨上 必须通过多大的电流 2 若磁场方向垂直斜面向下 要使金属杆静止在导轨上 必须通以多大的电流 图3 1 9 思路点拨 安培力作用下的平衡问题 解决问题的思路是先对通电导线受力分析 再对它应用平衡条件列出方程 精讲精析 为准确方便地画出受力图示 应将原题中的立体图改画为侧视图 由左手定则可判断安培力方向水平向右 受力分析如图3 1 10所示 由平衡条件得 图3 1 10 答案 1 15A 2 12A 变式训练如图3 1 11所示 在同